Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polysunfat sắt (PFS), ứng dụng cho quá trình keo tụ

Chất đông tụ polyferric sulfate (PFS) được điều chế bằng quá trình đồng trùng hợp thủy phân từ sulfate sắt. Trên trang giấy này, vai trò của các thông số chính, bao gồm tỷ lệ FeSO4: H2SO4, nhiệt độ trùng hợp và tỷ lệ [OH] / [Fe] là điều tra. Cấu trúc và hình thái phân tích được thực hiện bằng cách sử dụng phổ FT-IR, quét điện tử Kính hiển vi (SEM) và nhiễu xạ tia X (XRD). Cuối cùng, hiệu quả đông máu của PFS trong điều trị cao lanh huyền phù và axit humic được đánh giá.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polysunfat sắt (PFS), ứng dụng cho quá trình keo tụ Tạp chí Hóa học, 55(1): 81-85, 2017 DOI: 10.15625/0866-7144.2017-00421 Nghiên cứu tổng hợp vật liệu polysunfat sắt (PFS), ứng dụng cho quá trình keo tụ Quản Thị Thu Trang*, Lê Hà Giang, Phạm Văn Lâm Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam Đến Tòa soạn 22-01-2016; Chấp nhận đăng 6-02-2017 Abstract Polyferric sulfate (PFS) coagulant was prepared by hydrolysis co-polymerization from ferrous sulfate. In this paper, the role of major parameters, including ratio FeSO4:H2SO4, temperature of polymerization and ratio [OH]/[Fe] were investigated. The structure and morphology analysis were carried out by using FT-IR spectra, Scanning Electron Microscope (SEM) and X-ray diffraction (XRD). Finally, the coagulation efficiency of PFS in treating kaolin suspension and humic acid was evaluated. Keywords. Polyferric sulphate (PFS), coagulation. 1. MỞ ĐẦU hiệu quả cao [4]. PFS có khả năng đạt được hiệu quả keo tụ trong một dải rộng của nhiệt độ và pH. Đặc biệt, chúng có trọng lượng phân tử cao, kích thước phân tử cồng kềnh [5], do đó thuận lợi cho việc kết dính các cặn rắn lơ lửng trong nước và kéo chúng xuống dưới tác dụng của trọng lực. Bên cạnh đó, một số nghiên cứu cho rằng nước uống được xử lý bằng PFS là an toàn cho con người và thân thiện với môi trường [6]. Tại Việt Nam, các nghiên cứu về vật liệu PFS hầu như là không có. Trong phạm vi bài báo này, chúng tôi nghiên cứu chế tạo vật liệu poly sắt sunfat (PFS) bằng phương pháp thủy phân - tiền trùng hợp dựa trên tiền chất là FeSO4 và bước đầu khảo sát khả năng keo tụ của sản phẩm. Keo tụ là phương pháp quan trọng được sử dụng rộng rãi trong quá trình xử lý nước, đặc biệt là đối với việc loại bỏ các cặn rắn lơ lửng trong nước. Các chất keo tụ đóng một vai trò quan trọng trong trung hòa điện tích bề mặt của các hạt lơ lửng hoặc hệ thống keo, phá vỡ cân bằng của hệ thống huyền phù tạo điều kiện cho các hạt nhỏ kết tập thành tập hợp hạt lớn hơn sau đó lắng dưới tác dụng của trọng lực. Cho đến nay, một số chất keo tụ thông thường đã được sử dụng như AlCl3, Fe2(SO4)3, FeCl3..., tuy nhiên chúng có nhược điểm là phản ứng thủy phân xảy ra nhanh chóng và không kiểm soát được, dẫn đến sự hình thành của các hợp chất nhôm, sắt khác nhau trong dung dịch. Các hợp chất này lại có thể bị ảnh hưởng bởi các điều kiện môi trường như là bản chất và nhiệt độ của nước, pH, liều lượng của chất kết tủa…. Hơn nữa, các bông cặn tạo ra không đủ lớn và với trọng lượng nhỏ, do đó hiệu quả xử lý nước thấp [1]. Nhóm vật liệu được tổng hợp trên cơ sở các polyme vô cơ như poly nhôm clorua (PAC), poly sắt clorua (PFC)... và đặc biệt là poly sắt sunfat (PFS) hiện đang được quan tâm khá nhiều trong thời gian gần đây [1-3]. Poly sắt sunfat (PFS) được chuẩn bị bằng cách trung hòa một phần của các muối vô cơ ví dụ FeCl3, Fe2(SO4)3. Trong suốt quá trình thủy phân, một số phản ứng trùng hợp xảy ra và kết quả là hình thành nhiều dạng polyme sắt khác nhau. Bằng cách kiểm soát tốt mức độ thủy phân của các muối polyme có thể duy trì được sự ổn định keo tụ với 2. THỰC NGHIỆM Các hóa chất được sử dụng đều là hóa chất tinh khiết của Merck, bao gồm: FeSO4.9H2O, H2SO4, H2O2, NaHCO3. 2.1. Cơ chế của quá trình tổng hợp polyferric sunfat (PFS) Quá trình tổng hợp PFS có thể được chia ra làm ba giai đoạn: Giai đoạn 1 là quá trình oxi hóa Fe(II) thành Fe(III) sử dụng tác nhân H2O2 trong môi trường axit (H2SO4, 98 %). 2FeSO4 + H2SO4 + H2O2 = Fe2(SO4)3+ 2H2O 81 (1) TCHH, 55(1) 2017 Quản Thị Thu Trang và cộng sự Một số nghiên cứu công bố trước đây sử dụng tác nhân oxi hóa là O3, HNO3. Tuy nhiên, chúng đều có nhược điểm là không kinh tế, nhiệt độ phản ứng cao và thời gian phản ứng dài [1]. Trong nghiên cứu này tác nhân oxi hóa được sử dụng là H2O2 (30 %). Sử dụng H2O2 có ưu điểm là nhiệt độ phản ứng thấp (cỡ 50 oC), dễ dàng điều chỉnh quá trình và đây là hóa chất thông dụng, sẵn có và rẻ tiền. Giai đoạn 2 là thủy phân Fe2(SO4)3 bằng kiềm. Fe2(SO4)3 + nOH- = Fe2(OH)n(SO4)3-n/2 + n/2SO42- (2) Giai đoạn 3 là quá trình trùng hợp tạo thành polyme sắt. mFe2(OH)n(SO4)3-n/2 = [Fe2(OH)n(SO4)3-n/2]m (3) Nhiệt độ phản ứng cho cả hai quá trình thủy phân và polyme hóa là 50 oC. Tỉ lệ FeSO4: H2SO4 là 2:1. 2.3. Các phương pháp đặc trưng của vật liệu Đặc trưng của vật liệu được xác định bằng các phương pháp: nhiễu xạ tia X (XRD) trên thiết bị D8Quest Bruker (Đức), ảnh hiển vi điện tử quét (SEM) trên thiết bị phân giải cao Hitachi 7500 và phổ hồng ngoại (FTIR) trên thiết bị IRAffinity-1S. 2.4. Thí nghiệm keo tụ của vật liệu Thí nghiệm keo tụ được tiến hành thực nghiệm trong cốc thủy tinh 1 lít và sử dụng máy khuấy IKARW 20 Digital. Dung dịch nước mô phỏng nước bề mặt được chuẩn bị như sau: 5 mg axit humic được hòa tan vào dung dịch NaOH 0,1 mol/L. Thêm thêm 1 g cao lanh và nước máy thành 1 lít khuấy trộn trong 12 giờ sau đó để qua đêm. Đặc trưng của dung dịch nước thử nghiệm được tóm tắt trong bảng 1 ...